聚氨酯复配改性沥青混合料路用性能评价

■刘锦锋

（南平市公路事业发展中心，南平 353004）

近年来， 伴随着闽北经济体制的蓬勃发展，公路作为交通出行的基础设施， 其重要性尤为显著。沥青路面以及优异的行车舒适性、低噪音、耐疲劳等性能构成了高等级公路的主要结构形式，随之也出现了大量的各种路面病害，特别是闽北高海拔地区。 SBS 作为一种常用的聚合物，因其在物理交联区域分散于塑性体组成的连续相之间，从而在沥青中形成网状结构，这一结构使SBS 改性沥青同时具备良好的高低温性能，目前广泛应用与沥青道路行业。 但研究表明，SBS 作为一种聚合物，其与沥青的相互作用实际是一种物理共混，而不是发生化学反应。 由于SBS 和沥青在溶解度等方面的参数不同，两者相容性以及热稳定性差的聚合物改性通病依然存在，且仍未得到良好的处理方式[1-3]。

聚氨酯（Polyurethane,PU）从20 世纪60 年代末开始， 其生产逐步形成产业链应用于密封胶体，涂覆材料等领域。 PU 本身是一种重要的高分子材料，其具有优良的韧性、耐油、耐磨、耐老化、抗冲击性等优点。 沥青混合料是由沥青、集料、孔隙相构成的三相体结构，沥青作为胶结料对沥青混合料的性能起到关键的作用。 聚氨酯拥有远超一般沥青胶结料的高温、低温、疲劳、弹性恢复性能，因此被视为沥青路面中具有潜力替代材料之一。

本研究主要通过复配工艺制备了掺量分别为沥青质量的20%、30%、40%、50%的PU-SBS 改性沥青，并将未进行复配的SBS（4%）改性沥青与70#基质沥青作为对照，比较了PU-SBS、SBS 改性沥青以及70# 基质沥青基本性能的差异，并进一步制备了AC-13 沥青混合料，比较不用PU 掺量下复配改性沥青混合料的高低温以及水稳定性能优劣。

1 原材料及改性沥青制备

1.1 原材料

为研究沥青指标性能，选用壳牌70# 基质沥青与福建某公司生产的SBS 改性沥青，各项指标均符合规范规定。 所选用的聚氨酯为天津某公司生产的单组分聚氨酯，外观为灰白色，密度为1.08 g/cm3。沥青混合料级配为AC-13 密级配沥青混凝土，所选用矿质集料均为玄武岩，实测技术指标均满足规范要求。

1.2 聚氨酯改性沥青制备工艺

聚氨酯本身作为一种热固性材料，温度和试件对其固化程度有着很大的影响，其与沥青的融合不可避免的会发生一定程度的固结反应。 为减少固结的程度，合适的温度与拌和时间至关重要，此处借鉴文献[4]中的研究成果，主要制备过程如下：将成品SBS 改性沥青置于170℃的烘箱中加热至材料具有流动性，将提前在80℃下预热过的单组分聚氨酯匀速加入SBS 改性沥青后， 使用高速剪切机以4000 r/min 的转速剪切30 min 左右，使两者充分均匀混合。 最后将制备好的PU-SBS 改性沥青置于80℃环境下养生60 min 待用。

2 聚氨酯改性沥青的基本性能

通过上述制备工艺得到的聚氨酯复配改性沥青，分别对其与SBS 和70# 基质沥青共6 种沥青进行针入度、10℃延度、软化点、弹性恢复、135℃布氏粘度以及储存稳定性试验，其结果见表1。

表1 聚氨酯改性沥青基本性能指标

由表1 可知，相较于未改性的基质沥青，无论是SBS 还是PU-SBS 复配改性沥青均具有更高的延度、软化点、布氏粘度，表明改性剂的加入能改善基质的高低温性能。 相较于SBS 改性沥青，通过复配PU 改性的SBS 沥青，PU 掺量的增加使得SBS沥青变“硬”，表现为更低的针入度，相较于空白对照组（SBS）。 而延度、软化点、布氏粘度以及弹性恢复能力均随着PU 掺量的增加而逐步提高。 这主要是因为PU 作为一种热固材料，其弹性行为明显，通过向SBS 改性沥青中加入了一定量的弹性成分，能有效提高其粘结力，形成稳定的交联结构，从而具备更优良的高低温性能[4]。储存稳定性在不同掺量下存在浮动，没有一致性规律，但相较于SBS 改性沥青提高了24%左右，表明其储存稳定性有所改善。

3 聚氨酯改性沥青混合料路用性能研究

3.1 聚氨酯改性沥青配比设计

我国现有的高等级公路沥青上面层以AC-13级配居多。 因此本研究按照马歇尔标准设计方法依次制备基质沥青、SBS 改性沥青、PU 复配SBS 改性沥青的沥青混合料，并按照定油要求最终确定最佳油石比依次为5.0%、5.2%和5.3%(图1)。

图1 AC-13 级配曲线设计

3.2 聚氨酯改性沥青高温稳定性

在炎热的夏季，车辆通过揉搓碾压会对软化的沥青路面产生车辙、拥包等病害形式，聚氨酯材料自身的高弹性以及弹性恢复能力，能有效阻止车辆荷载对沥青路面造成的病害。 60℃车辙试验能很好地预估不同掺量下聚氨酯改性沥青混合料的高温稳定性，其结果见图2。根据试验结果可知，PU-SBS沥青混合料的动稳定度均在10 000 以上，表明其对于高温稳定性有良好的改善效果。 对照普通的SBS改性沥青混合料，随着PU 掺量的依次提升，其动稳定度提升幅度依次为54.09%、78.06%、113.67%、145.36%。 这主要是由于聚氨酯的加入为沥青提供了更多的弹性成分， 从而在荷载作用后及时回复原有的性状。 与此同时其与SBS 形成的稳定空间网络结构，当聚氨酯与沥青完成固化后，显著提升了沥青混合料的力学性能， 从而大幅度提高了高温稳定性。

图2 不同AC-13 沥青混合料动稳定度

3.3 聚氨酯改性沥青低温抗裂性

冬季气温较低，对沥青混合料的力学性能存在较大变化。 沥青是一种典型的粘弹性材料受温度影响很大，在低温条件下变形处较强的脆断性，即强度增大，但抗变形能力降低，容易发生开裂。 本试验采用低温梁弯曲试验评价PU 改性沥青的低温抗裂性能，试验温度为-10℃，采用万能试验机（MTS）进行加载，结果如图3 所示。

图3 不同AC-13 沥青混合料弯拉应变

根据结果可知，随着聚氨酯掺量的增加，低温弯拉应变进一步提高， 依次提升10.36%、16.91%、27.37%、38.60%。 在30%PU-SBS 组合下，其弯拉应变相较于70# 基质沥青提高了75.01%，相较于SBS改性沥青混合料提高了16.91%， 且均远高于规范中的要求。 这可能是由于聚氨酯的加入使沥青混合料的延展性得到了提升，正如沥青延度试验结果所发现的，因此其相应的复配改性沥青混合料具备优异的低温抗裂性能[5]。

3.4 聚氨酯改性沥青水稳定性

3.4.1 浸水马歇尔试验

残留稳定度是评价沥青混合料水稳定性的常用方法之一。 沥青混合料浸水马歇尔试验结果如图4 所示。从试验结果可知包括基质沥青在内，各种改性沥青的残留稳定度结果均满足规范要求，其中30%PU-SBS 改性沥青混合料的残留稳定度（88.3%）与SBS 沥青混合料的残留稳定度（88.2%）基本相等。 PU 掺量的增加能提高残留稳定度的值，但在30%以下时略低于SBS 沥青混合料。

图4 不同AC-13 沥青混合料残留稳定度

3.4.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验同样作为沥青混合料的水稳定性的常用评价方法，能够反应在冻融条件下材料抵抗水损坏的程度。 试验分为试验组和对照组，每组不少于4 个试件以保证试验的准确性。 图5 为冻融劈裂强度比（TSR）的试验结果。 TSR 的结果看出与残留稳定度结果相似， 在30%PU 掺量下与SBS 改性沥青混合料的TSR 值接近， 当掺量低于30%时，会有少量的减少，但是均满足规范要求中≥80%的限制，且远高于70#基质沥青的TSR 值（72.3%）。

图5 不同AC-13 沥青混合料冻融劈裂强度比

综合残留稳定度与冻融劈裂强度比的结果可知， 在30%PU 掺量下复配改性沥青混合料的水稳定性基本与SBS 改性沥青的水稳定相似，且在本次试验掺量范围内，随着PU 的增加，水稳定性逐渐提高。 PU 的加入能增加沥青的粘结力，在有水环境中阻止了冲刷造成的沥青膜脱落[6]。

4 结论

本研究首先制备了PU-SBS 复配改性沥青，并比较了其与70# 基质沥青与SBS 改性沥青的基本性能，随后制备了不同种类与PU 掺量的AC-13 密级配沥青混合料， 比较了其高低温以及水稳定性能， 主要得出以下结论：（1）PU 作为一种热固性材料，通过复配技术制备了PU-SBS 改性沥青进行基本性能试验发现具有更高的延度、软化点、弹性恢复能力， 且随着PU 掺量的增加进一步提升。 同时PU 复配后的沥青相较于SBS 具有更高的储存稳定性，表明其分散更为均匀。 （2）由于PU 自身的高弹恢复能力，在高温条件下PU-SBS 改性沥青混合料能够极大的提升SBS 沥青混合料的动稳定度。当50%掺量下提升幅度可达145.36%， 且在试验掺量范围内，随着PU 的增加而增加。 （3）低温抗裂性试验结果表明PU 掺量的增加能够提升其最大弯拉应变， 相较于普通SBS 改性沥青混合料， 每增加10%PU 掺量，依次提高了10.36%、16.91%、27.37%、38.60%且远高于基质沥青的抗裂性能。 （4）水稳定性试验结果表明， 无论是残留稳定度还是TSR，在30%掺量下PU-SBS 改性沥青与SBS 的水稳定性能基本相同，当低于此掺量下略有下降，但在试验掺量范围内仍随着PU 的增加， 水稳定性得到进一步提升。

5 结语

根据以上试验结果得出，采用PU-SBS 复配改性沥青有效提升了沥青路面在高温、严寒、水作用的环境综合作用下抗车辙、坑槽、裂缝等病害的性能，增强了沥青路面的耐久性，是一项可推广可复制的沥青路面技术。 此外，该项技术能够有效提升闽北高海拔地区沥青路面抗病害能力，降低公路养护成本，促进当地公路事业发展具有重要意义。